DE1594456B1

DE1594456B1 - Hochdruckschmiermittel

Info

Publication number: DE1594456B1
Application number: DE19651594456D
Authority: DE
Inventors: Browning Charles A; Walz Walter L
Original assignee: International Harverster Corp
Current assignee: Navistar Inc
Priority date: 1965-07-26
Filing date: 1965-07-26
Publication date: 1971-07-15
Also published as: GB1036542A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schmiermittel Die vorliegende Erfindung bedient sich zur Lösung

zur Anwendung bei extrem hohen Drücken, wie es dieses speziellen Schmierproblems elastischer Kunstz. B. für bestimmte Zahnradgetriebe benötigt wird. Stoffpartikeln, die einem konventionellen Grund-Insbesondere hat sie eine Schmiermittelsuspension Schmieröl in feinverteilter Form zugegeben werden, mit feinverteilten, in Öl unlöslichen Partikeln sowie das 5 Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verdazugehörige Herstellungsverfahren zum Gegenstand. fahren, nach dem zunächst die Zusatzstoffe aufbereitet Es ist bereits wiederholt versucht worden, für hohe und sodann auf bestmögliche Weise in der Flüssigkeit Drücke geeignete Schmierstoffe zu entwickeln, indem suspendiert werden.

man feste Zusatzstoffe mit konventionellen Ölen oder Außer dem bereits erwähnten Naturstoff Graphit

Fetten gemischt hat. Im allgemeinen war es bisher er- io sind noch zahlreiche in der Schmierflüssigkeit unlösforderlich, zur Erzielung eines bestimmten Hochdruck- liehe Kunststoffpulver gefunden worden, die insbeeffektes verhältnismäßig große Mengen dieses Zusatz- sondere in den bekannten Grundölen gute Schmierstoffes zu verwenden. So hat man beispielsweise fein- eigenschaften aufweisen. Daß einige dieser Pulver eingepulverten Graphit in Öl zur Suspension gebracht, deutig höheren Druckwiderstand als Graphit haben, um auf diese Weise die Hochdruckeigenschaften zu 15 ist ein verwertbarer Vorteil. Man nimmt an, daß der verbessern. Bei diesem Versuch wirkt es sich günstig erhöhte Druckwiderstand auf die Eigenschaft gewisser aus, daß Graphit infolge seiner besonderen kristallinen Kunststoffe zurückzuführen ist, sich plättchenartig zu Struktur (Schichtgitter) schon an sich ein guter verformen, ohne daß die dabei entstehenden außer-Schmierstoff ist, der die Festkörnerreibung vermindert ordentlich dünnen Lamellen zerrissen werden. Man und sich auf den Gleitflächen ablagert. 20 hat zahlreiche unlösliche Kunststoffe gefunden, die in

Weitere Hochdruckzusätze sind unter anderem flüssigen Schmiermitteln wie Erdölderivaten ausge-MoS₂, S, Cl und P. Diese den Ölen zulegierten chemi- zeichnete Schmierstoffgemische ergeben und besonders sehen Additive reagieren unter Druck und bei höheren in hochbeanspruchten Zahnradgetrieben eine außer-Temperaturen mit den aufeinandergleitenden Metall- gewöhnliche Druckbeständigkeit an den Tag legen. Oberflächen, wobei sie salzartige Zwischenschichten 25 Um aus der Vielzahl der in Frage kommenden Festbilden, die im Falle des Versagens der hydrodynami- stoffe besonders geeignete zu nennen, sei hier die sehen Schmierung vorübergehend die Rolle des zu- Gruppe der aliphatischen Polyamide erwähnt. Da es sammengebrochenen Schmierfilms übernehmen. verschiedene Typen dieser Kunststoffe gibt und diese

Einen anderen Wirkungsmechanismus haben die auch im Handel in praktisch unbegrenzten Mengen sogenannten Festschmierstoffe ohne Ölbasis, zu denen 30 und relativ billig zu haben sind, bieten sich die PoIyaußer den bereits erwähnten MoS₂ und Graphit auch amide als besonders geeignet an. Auch Kunstharze auf noch Borax und Bornitrid gehören. Auf Grund ihrer der Basis von Acetal-Polyoxymethylen sowie einige niedrigen Kohäsionskräfte werden bei der Schmierung zur Gruppe des Polytetrafluoräthylens gehörende Adhäsionskräfte frei, die eine gute Oberflächenhärtung Kunststoffe haben sich als brauchbar erwiesen. PoIybei den Lagermetallen gewährleisten. Eine ähnliche 35 merzusätze dieser und ähnlicher Art bilden kolloidale Wirkung tritt übrigens bei Stoffen mit freien Valenz- Lösungen mit strukturviskosen Eigenschaften,
elektronen auf, beispielsweise bei S. Geeignete Hoch- Eine kritische Größe bei Mischung dieser Feststoffe

druckzusätze dieser Art erhält man unter anderem mit der Schmierflüssigkeit ist die Partikelgröße; denn durch Einwirkung von S auf Trialkylphosphat. Allen bei Überschreiten eines kritischen Durchmessers tritt diesen festen Additiven ist gemeinsam, daß sie sich 40 sofort Sedimentation ein, d. h., in mehr oder weniger bei ansteigendem Druck aufspalten und so zu einer langen Zeiträumen wird wieder eine Trennung von verminderten Reibung beitragen, indem sich ihre nach Flüssigkeit und Feststoff eintreten, wobei sich die Art einer Lamellenstruktur verformenden Teilchen Feststoffe in einer zusammenhängenden Schicht unterauf der Metalloberfläche ablagern. halb der Flüssigkeit ablagern. Eine solche Gewichtsüberblickt man zusammenfassend und kritisch den 45 separation ist in vorliegendem Falle selbstverständlich bekannten Stand der Technik, so steht als Optimum unerwünscht und würde den Erfindungszweck nicht für ein Hochdruckschmiermittel eine Suspension von oder nur mangelhaft erfüllen. So könnte z. B. der Fall MoS₂ in Mineralöl zur Verfügung, wobei mehrere eintreten, daß mit einem solchen »verdünnten« Hochdruckzusätze, gleichzeitig angewandt, z. B. in der Schmiermittel ein Getriebe lange Zeit laufen würde, Kombination MoS₂ + S, erfahrungsgemäß eine poten- 50 ohne daß die dann fehlenden druckbeständigen Parzierte Wirkung ergeben. Während die Feststoffteilchen tikeln eine Zerstörung der Zahnflanken verhindern also den reibungsmindernden Film ergeben, verbleibt könnten. Bei Feststellung des Schadens wäre es dann als Hauptaufgabe des Grundöls, die während des meist für einen Ölwechsel zu spät, und es müßten Betriebes entstehende Reibungswärme sowie anfallende einzelne Getriebeteile oder sogar das ganze Getriebe Abriebstoffe gefahrlos weiterzuleiten. 55 ausgewechselt werden.

Wo jedoch in der technischen Praxis auf verhältnis- Um die feinverteilten Feststoffe also in Suspension

mäßig kleinen Kontaktflächen sehr hohe Drücke auf- zu halten, darf ein bestimmter Teilchendurchmesser treten, können Schmiermittel der bekannten Art über nicht überschritten werden. Versuche mit Durchlängere Zeiträume nicht befriedigen. An Zahnrad- messern von etwa 300 Mikron und darunter hatten ein getrieben zeigt sich dieser Mangel unter anderem darin, 60 negatives Ergebnis. Erst bei einer Partikelgröße von daß in verhältnismäßig kurzer Zeit eine sogenannte rund 10 Mikron konnte die Emulsion stabilisiert wer-Lochfraßkorrosion an den Zahnflanken auftritt. In den. Der Durchmesser von 10 Mikron bildet insofern fortschreitender Entwicklung dieses Oberflächenan- eine kritische Grenze, als alle darüberliegenden Werte griffs tritt dann mit der Zeit nicht selten ein völliger immer noch unstabile Schmiermittel ergaben. Im BeBruch der Getriebezähne ein. Die dabei frei werdenden 65 reich von 2 bis 10 Mikron konnten während 14 Tagen groben Metallstücke würden zu ernstlichen Betriebs- bei einer Temperatur von 82⁰C einigermaßen stabile störungen oder sogar zu einer völligen Zerstörung des Verhältnisse erzielt werden, wobei ein Durchmesser-Getriebes führen. bereich von 2 bis 5 Mikron zu bevorzugen ist.

Geht man von Schmierstoffen mit geringerer Viskosität oder Konsistenz zu Schmiermitteln mit größerer Viskosität über, d.h., ist eine Verteilung des Kunststoffpulvers in Schmierfetten beabsichtigt, verliert der Teilchendurchmesser seine kritische Bedeutung. Es kommen auf diese Weise pastenartige, halbfiüssige Stoffgemische zustande. Diesem Vorteil steht dann allerdings als Nachteil wieder gegenüber, daß sich die Einbringung und gleichmäßige Verteilung solcher feinen Pulver in derartige fließträge Stoffe schwierig gestaltet. So ist es z. B. nicht mehr möglich, Teilchen von rund 2 Mikron in bestimmten Rohölen zu verteilen. Es bilden sich unregelmäßige Materialanhäufungen in dem Öl, wobei sich ein Teil am Boden absetzt, während eine gewisse Menge, und zwar bedingt durch eingeschlossene Luft, an die Oberfläche befördert wird.

Mit der vorliegenden Erfindung soll das Problem gelöst werden, Plastikpulver im Durchmesserbereich von 2 bis 10 Mikron in flüssige oder halbflüssige Schmierstoffbasen einzuführen und einwandfrei zu verteilen, ohne daß das entstandene Endprodukt durch Gewichtstrennung seine guten Eigenschaften bei Hochdruckschmierung wieder verliert. Es sollen also Schmiermittel hergestellt werden, die in dieser Eigenschaft weitgehend kolloidalen Lösungen ähneln.

Zur Veranschaulichung von Struktur und Eigenschaften im Hinblick auf spezielle Anwendungsgebiete sollen nachstehend einige Beispiele gegeben werden, und zwar unter besonderer Berücksichtigung der Erdölderivate als Basisstoffe. Bei der Auswahl dieser Ausgangsstoffe müssen die normalerweise angewandten Richtlinien und Prüfvorschriften berücksichtigt werden. Im übrigen ist eine Weiterveredlung der handelsüblichen Produkte nicht erforderlich. Ein handeisübliches SAE-Öl weist folgende Kennwerte auf:

SAE Nr 50

Flammpunkt 239° C

Viskosität 85 bis 110 s/Saybolt 100⁰C

Stockpunkt -7⁰C max.

Farb-Nr 6 max.

C-Rückstand 1 max.

Viskositätsindex.. 80 min.

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Wie bereits erwähnt, findet als fester Zuschlagstoff fein gemahlenes Kunststoffpulver im Durchmesserbereich 1 bis 10 Mikron Verwendung. Dieses Pulver wird dem Öl direkt zugesetzt, wobei es darauf ankommt, eine möglichst gleichmäßige Verteilung, die nicht durch Materialzusammenballung (Koagulation) gestört werden darf, zu erreichen. Die folgenden Beispiele sind hauptsächlich darauf abgestellt, diese Schwierigkeiten zu vermeiden und stabile kolloidale Lösungen herzustellen.

Beispiel 1

1 g eines in Öl unlöslichen Polyamidpulvers wird mit 1 g eines flüssigen Dispergierungsmittels sowie mit 98 g Äthylenglycol gemischt. Ein besonders wirksames Dispergierungsmittel ist z. B. ein bestimmtes tertiäres, aliphatisches Amin. Das Gemisch wird in einem Behälter, z. B. Erlenmayer-Kolben, bis zum Sieden erhitzt, und zwar so lange, bis sich das Polyamidpulver restlos aufgelöst hat bzw. bis feste Niederschläge nicht mehr wahrnehmbar sind. Dieser Vorgang ist in etwa 40 Minuten abgeschlossen.

Dem oben beschriebenen heißen Gemisch wird langsam 300 ml Isopropanol zugesetzt. Die Verdünnungssubstanz bleibt etwa 1 Minute wirksam, d. h., in dieser Zeit kann alles Isopropanol verbraucht sein.

Während dieses Verfahrensabschnittes wird das Polyamid in Form feinverteilter Partikeln in dem entstehenden Endprodukt ausgefällt. Darauf füllt man das Isopropanolgemisch in Röhrchen, die anschließend in eine Zentrifuge gegeben werden. Zweck dieser Maßnahme ist es, den festen Polyamidanteil aus der Flüssigkeit wieder heraus zu zentrifugieren, was mindestens 20 Minuten dauern dürfte. Die verbleibende Flüssigkeit ist zu 60 % klar und kann auf dem üblichen Wege durch Vakuumabsaugung oder auch nach dem Siphonprinzip dekantiert werden. Dem in den Röhrchen verbliebenen Polyamidrückstand wird erneut frisches Isopropanol zugegeben und das Gemisch kräftig geschüttelt, um die Dispergierung zu fördern. Nach einem nochmaligen Zentrifugieren während 15 Minuten wird auch die geklärte Flüssigkeit wieder entfernt, ein Verfahren, das insgesamt sechsmal wiederholt werden muß.

Der danach anfallende Rückstand besteht aus Polyamidpartikeln im Bereich 2 bis 5 Mikron, denen noch etwas Isopropanol anhaftet. Diese Masse gibt man dann in 190 ml einer benzinhaltigen ölbase, um die Entfernung aus den Zentrifugenröhrchen zu unterstützen. Das resultierende Gemisch wird auf eine Wärmplatte gestellt und magnetisch umgerührt. Die dabei eingeleitete Luft soll die restlichen Mengen Alkohol und Benzin beseitigen. Schließlich fällt ein Endprodukt an, das Polyamidpartikeln von 2 bis 5 Mikron im Öl enthält, und zwar in einer Konzentration von 9 g Polyamidpulver auf 21 öl. Das spezifische Gewicht des Öls ist mit 0,899 angegeben, die Suspension blieb bei einer Temperatur von 180⁰F mindestens 2 Wochen lang stabil.

Bei der oben angegebenen Suspension von 1 g Festsubstanz auf 190 ml ergibt sich die resultierende Viskosität der flüssigen Phase in Abhängigkeit vom Polyamidanteil der ölbase. Das Fließverhalten bei Raumtemperatur ist folgender Aufstellung zu entnehmen:

1 g Polyamid + 5 g Grundöl:
1 g Polyamid + 10 g Grundöl:
1 g Polyamid + 2Og Grundöl:
1 g Polyamid + 25 g Grundöl:
1 g Polyamid + 30 g Grundöl =
1 g Polyamid + 4Og Grundöl =
1 g Polyamid + 55 g Grundöl =
1 g Polyamid + 70 g Grundöl =
1 g Polyamid + 75 g Grundöl =

: halbfestes

Schmierfett
: halbfestes

Schmierfett
= halbfestes

Schmierfett
: halbflüssiges

Schmierfett

: halbflüssiges

Schmierfett
: halbflüssiges

Schmierfett
: viskose Flüssigkeit

Die angegebenen Werte in dieser Tabelle sind nur als Richtwerte aufzufassen; beim Übergang zu anderen ölsorten können sich selbstverständlich auch andere Viskositätsgrade ergeben. Dies gilt auch für Ölsorten

tierischen und pflanzlichen Ursprungs, die sonst noch im Maschinenbau verwendet werden.

Beispiel 2

Zusammensetzung und Behandlung stimmen mit den Daten des Beispiels 1 überein, mit Ausnahme eines anderen Polyamidtyps und dessen verändertem Anteil von 0,8 Gewichtsprozent im Grundöl.

Beispiel 3

Hier ändern sich die entsprechenden Zuordnungswerte in 1,75 Gewichtsprozent in Verbindung mit einem anderen Polyamidtyp.

Unter ähnlichen Testbedingungen wurde ein Zahnrad mit folgenden Ergebnissen untersucht:

Schmiermittel	Lastwechsel*;	10⁶	Bemerkungen
Grundöl	5	10«	mäßige Lochfraßkorro
Gemisch nach Bei spiel 5	17,9	sion leichte Lochfraßkorro sion; bei 14 · 10⁶ keine Lochfraßkorrosion mehr

*) Bei 35 kg/mm² Biegebeanspruchung flankendruck von 190 kg/mm².

Alle diese Versuche zeigen eindeutig, daß schon eine geringe Menge eines ölunlöslichen Kunststoffpulvers als Komponente in konventionellen Schmierölen und -fetten, deren Beanspruchungsmöglichkeit in höchsten

prozent Polytetrafluoräthylen der Ölbasis unter Rühren 20 Druckbereichen erheblich heraufsetzt. Besonders im direkt zugesetzt. Vergleich zu den bisherigen festen Additiven war eine

_R . . , , merkliche Verbesserung festzustellen. Auf der Suche

P^{J e} nach den Ursachen für diese technologische Aufwer-

Mit 0,5 Gewichtsprozent unter Rühren zugemisch- tung der Schmiermittel wurde unter dem Mikroskop tes Polytetrafluoräthylen bleiben alle übrigen Größen 25 erkennbar, daß die ursprünglich kugelförmigen Kunstunverändert. Stoffpartikeln nach der Druckbeanspruchung die Form

Beispiel 4 An Stelle von Polyamid werden hier 0,35 Gewichts-

Um praktische Vergleichsmöglichkeiten bei der Auswertung zu haben, werden in den letzten beiden Beispielen Schmiermittel unter Beibehaltung des Öltyps mit konventionellen Hochdruckzusätzen gemischt.

Beispiel 6

2 Gewichtsprozent Graphit werden im Grundöl dispergiert.

Beispiel 7

2 Gewichtsprozent MoS₂ werden im Grundöl dispergiert.

Zur vergleichsweisen Auswertung dieser in den vorstehenden Beispielen beschriebenen Höchstdruck-Schmierstoffe dient ein speziell für Öltests entwickeltes Dynamometer, das verschiedene Grade von Korrosion und Oberflächenabrieb eines Testzahnrades zu messen gestattet, wobei die nachstehenden Ergebnisse erhalten wurden:

Schmiermittel	Lastwechsel*'	•10⁶	Bemerkungen
Grundöl	2,4		schwere Lochfraßkorro
			sion, Spanbildung, Ab
		•10⁶	rieb
Gemisch	5,5		keineLochfraßkorrosion
nach Bei			bis 5 · 10⁶, darüber
spiel 2			leichte Lochfraßkorro
		•10⁶	sion
Gemisch	7,75		keineLochfraßkorrosion
nach Bei			bis 6 · 10⁶, leichte Loch
spiel 3			fraßkorrosion bei
		•10⁶	7,75 · 10⁶
Gemisch	3,6		mäßige Lochfraßkorro
nach Bei			sion
spiel 6		•10⁶
Gemisch	4,7		leichte Lochfraßkorro
nach Bei			sion
spiel 7

*) Bei 33,2kg/mm^a Biegebeanspruchung und einem Zahnflankendruck von 216 kg/mm².

von flachen Plättchen angenommen hatten. Diese Tatsache beweist nicht nur die gute Schmiereignung gewisser Kunststoffe, sondern auch deren hohen Verformungsgrad unter extremen mechanischen Beanspruchungen, ohne daß die Plättchen zerrissen wurden. Daher ist auch die sogenannte Filmfestigkeit dieser Kunststoffe erstaunlich hoch. Es konnte weiter beobachtet werden, daß nach Beendigung der Versuche die Adhäsionskräfte zwischen den Kunststoffplättchen und dem darunterliegenden Metall immer noch so groß waren, daß sie eine Zeitlang ohne Neuzufuhr von Schmiermittel ihre schützende Funktion (Notlaufeigenschaft) voll und ganz erfüllen konnten. Bei allen diesen Versuchen zeigte es sich ferner, daß die Plättchen nicht dazu neigten, sich an bestimmten Stellen haufenweise festzusetzen (zu sedimentieren).

Das Aufhören der Schmierwirkung unter höchstem Druck bei den Beispielen 6 und 7 wird schließlich dadurch herbeigeführt, daß die Plättchen sich gegenseitig immer mehr verschleißen, bis sie schließlich eine unterhalb ihrer Wirksamkeit liegende kritische Größe erreicht haben. Es ist mit den erfindungsgemäßen Mehrstoffschmiermitteln gelungen, bei höchster Anpassung an den beabsichtigten Zweck, technisch verwertbare Schmiermittel zu schaffen, die, was als besonderer Vorteil angesehen werden kann, noch relativ billig sind und die darüber hinaus einfach hergestellt werden können.

Claims

Patentansprüche:

1. Hochdruckschmiermittel, bestehend aus einem Grundöl und aus in diesem dispergierten ölunlöslichen, jedoch mit dem Grundöl stabile kolloidale Lösungen mit strukturviskosen Eigenschaften bildenden thermoplastischen Kunststoffteilchen, d adurch gekennzeichnet, daß die kolloidalen Lösungen Kunststoffteilchen im Durchmesserbereich von 2 bis 10 Mikron aus linearen, aliphatischen Polyamiden, Acetal-Polyoxymethylen oder Polyfluoräthylen enthalten.

2. Hochdruckschmiermittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kolloidalen Lö-

sungen als Kunststoffteilchen etwa 1,75 Gewichtsprozent Polyamidteilchen mit Durchmessern von 2 bis 10 Mikron in 98,25 Gewichtsprozent eines Grundöls stabil suspendiert enthalten.

3. Hochdruckschmiermittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kolloidalen Lösungen als Kunststoffteilchen etwa 0,35 Gewichtsprozent Acetal-Polyoxymethylen-Teilchen mit Durchmessern von 2 bis 10 Mikron in 99,56 Gewichtsprozent eines Grundöls stabil suspendiert enthalten.

4. Hochdruckschmiermittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kolloidalen Lösungen als Kunststoffteilchen etwa 0,5 Gewichtsprozent Polytetrafluoräthylenteilchen mit Durchmessern von 2 bis 10 Mikron in 99,5 Gewichtsprozent eines Grundöls stabil suspendiert enthalten.

5. Verfahren zur Herstellung von Hochdruckschmiermitteln nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine durch Auflösung von dehnbaren thermoplastischen Kunststoffpulvern aus den Gruppen der linearen, aliphatischen Polyamide, Acetal-Polyoxymethylene oder PoIyfluoräthylene zusammen mit einem Dispergierungsmittel in einem organischen Lösungsmittel bei Siedetemperatur erhaltene Lösung in ein zweites organisches Lösungsmittel unter kräftigem Umrühren eingetragen wird, daß die hierdurch in Form feiner Partikeln im Durchmesserbereich von 1 bis 10 Mikron ausgefällte Kunststoffkomponente nach vollständigem Ausscheiden des ersten organischen Lösungsmittels und nach überwiegendem Ausscheiden des zweiten organischen Lösungsmittels als fester Rückstand mit einem Grundöl unter Bildung eines dreiphasigen Gemisches verrührt werden und daß die restliche zweite organische Lösungsmittelkomponente durch fraktionierte Destillation vollständig entfernt wird.

6. Verfahren zur Herstellung von Hochdruckschmiermitteln nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus 98 g Äthylenglycol als Lösungsmittel und 1 g Polyamidpulver bestehende Lösung bei Siedetemperatur und unter starkem Rühren in 350 ml Isopropanol eingetragen wird, daß der hierdurch ausgefällte Niederschlag in Form feiner Polyamidpartikeln im Durchmesserbereich 1 bis 10 Mikron nach Entfernung der größten Menge des Lösungsmittels mit Isopropanol gewaschen wird bis zur restlosen Entfernung des Äthylenglycols und des Dispergierungsmittels, daß nach erneuter Dispersion des gewonnenen Rückstandes in Isopropanol dieses abdestilliert wird und daß die festen Rückstandspartikeln aus Polyamid mit einem Grundöl verrührt werden.

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